Рентгеновские лучи — это часть электромагнитного спектра, которая находится за ультрафиолетовым излучением. Впервые об их существовании сообщил в декабре 1895 немецкий физик Вильгельм Рентген. Однако на самом деле история эта очень запутана, с самого момента открытия и сегодня его первенство ставится под сомнение.
Разряд в стеклянной трубке
27 декабря 1895 года немецкий физик Вильгельм Рентген (фамилию которого на украинском языке правильнее было бы писать как «Рьонтген») опубликовал научную работу, в которой сообщил миру об открытии им невидимых лучей. Открыл он их во время экспериментов с катодной лампой, и главной их особенностью была способность проходить сквозь некоторые предметы и оставлять следы на фотопленке.
Сам Рентген назвал открытое им излучение Х-лучами, и это название в конечном итоге прижилось во многих странах, в частности в англоязычных. В то же время в других странах, прежде всего в немецко- и славяноязычных, закрепилось название «рентгеновские лучи». Такая разница в терминах отражает споры, сопровождавшие это излучение с самого момента его открытия.
Ибо первенство Рентгена многим ставится под вопрос. В частности, существует мнение, что на самом деле Х-лучи открыл украинец Иван Пулюй почти за пятнадцать лет до немецкого коллеги. Но для того, чтобы во всем этом разобраться, нужно начать с происходивших задолго до них обоих.
Еще в XVII веке физики научились создавать пониженное давление внутри герметично закрытой стеклянной посуды. А в начале XVIII века выяснилась интересная вещь. Уже тогда ученые умели создавать кратковременные электрические токи и знали, что если поднести проводник с зарядом к проводнику без него, то между ними проскакивает искра.
Так вот, оказалось, что в стакане с пониженным давлением эти искры путешествуют на большее расстояние. Эксперименты с ними продолжались, но без особого интереса, пока в 1785 году английский экспериментатор-любитель Уильям Морган не начал исследовать различные световые эффекты, наблюдаемые при пропускании тока через сильно разреженные среды, и в какой-то момент свет у него как будто стал невидимым.
Считается, что именно в этот момент Морган мог еще за сто лет до Рентгена получить рентгеновские лучи, однако тогда его сообщение мало кого заинтересовало, а именно написано так, что точно это утверждать невозможно.
Исследованиями Моргана заинтересовались на рубеже XVIII и XIX веков, когда искры в колбе взялся исследовать выдающийся физик Гамфри Дэви. В 1802 году ему удалось получить в ней дуговой разряд — стабильную искру между двумя электродами, которая сейчас нам известна преимущественно благодаря электросварке. В то же время дуговой разряд в колбе можно рассматривать как самый первый электрический осветительный прибор.
Исследования Деви продолжил его ученик Майкл Фарадей. В 1838 году он получил внутри вакуумной колбы равномерный столб света, рядом с которым было пространство, где разреженный газ не светился. Стало понятно, что, кроме собственно электрической искры, в разреженных средах могут происходить процессы, которые порождают свет как бы из ниоткуда. Это было именно то, о чем писал Уильям Морган еще за несколько десятилетий до того.
Катодные лучи
Следующий шаг в понимании того, что же там светится, был сделан в 1850-х годах. Оказалось, что результат пропускания искры через разреженную среду зависит от того, чем она наполнена. Это явление называется флюоресценцией. Благодаря этому в 1857 году немецкий физик Генрих Гейслер создал трубку, названную его именем, в которой неон равномерно светился между двумя электродами: отрицательно заряженным катодом и положительно заряженным анодом. По сути, это был прототип современной неоновой лампы.
А еще через два года Юлиус Плюккер и Иоганн Хитторф во время экспериментов с различными конструкциями на основе трубок Гейслера поняли, что свечение газа вызывают невидимые лучи, которые почему-то реагируют на магнитное поле. Но только в 1876 году Ойген Гольдштейн доказал, что они исходят из катода, и назвал их катодными.
В 1850–1880-х годах с катодными лампами, видимым светом и невидимыми лучами внутри них экспериментировало множество учёных. Уже тогда все понимали, что потенциально сталкиваются с источником освещения будущего. Рождались десятки разных конструкций того, что сейчас носит название катодной лампы, но ученые все еще не понимали, что же это за такие катодные лучи.
В 1875 году британец Уильям Крукс усовершенствовал трубку Гейслера. Сделав ее более удобной для наблюдения катодных лучей. В его устройстве катод находился в обычном месте, анод — сбоку, а прямо напротив катода было расширение, покрытое флюоресцентным веществом. Благодаря этому светился не весь объем колбы, а только та часть, которая была похожа на экран.
Рентгеновские лучи
Достаточно быстро трубки Крукса приобрели большую популярность и их стали активно использовать для экспериментов с катодными лучами. Главный вопрос относительно них заключался в том, представляют ли они собой нечто похожее на ионы или молекулы, то есть достаточно большие частицы или электромагнитные колебания.
Однако во второй половине 1880-х появилась новая загадка: ученые начали замечать, что рядом с трубками Крукса засвечиваются фотопластинки. Иногда это происходит даже тогда, когда они плотно закрыты..
Особенно в этом вопросе продвинулся Филипп Ленард, сделавший в трубке Крукса маленькое окошко из фольги, надеясь, что катодные лучи пройдут сквозь него и он сможет с ними поэкспериментировать. И что-то сквозь это окошко действительно прошло и засветило фотопластинку, несмотря на то, что происходило это в полной темноте.
Однако на бумаге, покрытой флуоресцентным веществом, ничего не появилось. Ленарду не удалось выбрать именно то флуоресцентное вещество, которое реагировало на катодные лучи, но не на рентгеновские.
Но из-за того, что Ленард скупил всю ее, Рентгену пришлось искать другую. И поздно вечером в ноябре 1895 года он, оставшись один, начал свой эксперимент: включил ток, полностью закрыл трубку Крукса толстым картоном и приготовил экран, покрытый платиноцианидом бария.
И именно на нем он увидел чудо: появившееся там световое пятно, где из полностью закрытой лампы должны были выходить невидимые лучи. Последующие эксперименты показали, что это излучение не отклоняется магнитным полем, засвечивает фотопластинки и при этом по-разному проходит сквозь предметы разной плотности. В частности, они могли проходить сквозь мягкие ткани организма человека и задерживаться костьми. Благодаря этому стало возможным исследовать состояние костей человека в медицинских целях.
Иван Пулюй
27 декабря 1895 года Рентген опубликовал работу, в которой утверждал, что на протяжении всего времени исследований катодных лучей в них скрывалось другое, ранее неизвестное излучение. Это открытие стало настоящей сенсацией, однако почти сразу появилось немало людей, которые поставили под сомнение его первенство. В частности, на протяжении многих лет Ленард настаивал на том, что слава открытия на самом деле должна принадлежать ему.
Сейчас же много говорят о том, что на самом деле Х-лучи открыл украинец Иван Пулюй, работавший тогда в Пражском политехническом университете. На самом деле все было чуть-чуть не так. Пули действительно много экспериментировал с катодными лампами в 1880-х годах. И когда Рентген сделал свое сообщение, он был одним из первых, кто подтвердил его наблюдение в лаборатории.
В двух своих работах, опубликованных в 1896 году, он говорит о новом виде излучения как о «лучах, о которых сообщает господин Рентген», то есть не претендует на первенство, а закрепляет приоритет немецкого исследователя, с которым был лично знаком.
Однако Пулюй не только подтвердил то, что увидел Рентген, но и заинтересовался важным вопросом: а откуда же исходят эти новые лучи? Из катода, как те, что вызывали люминесценцию, или откуда-то еще? Трубка Крукса, в которой только одна сторона выполняла роль экрана, с ней ученые преимущественно работали, подходила для этого не очень хорошо.
Однако у Пулюя была лампа, которую он разработал еще в начале 1880-х. Тогда он создавал ее как бытовой светильник. Она получила награды на выставках, некоторое время ее даже производили промышленно, но что-то пошло не так и коммерчески успешным продуктом она не стала.
Зато лампа Пулюя имела некоторые конструктивные особенности, позволявшие использовать ее в качестве лабораторного прибора для изучения рентгеновских лучей. Она имела сферическую форму и вся сфера была покрыта флюоресцирующим составом. А в центре находился покрытый слюдой анод, в который и избивали катодные лучи.
Пулюй накрыл включенную лампу картонным цилиндром и начал ходить вокруг нее с флуоресцентным экраном, глядя, в каких местах и как появляется световое пятно. Вскоре он понял, что новое излучение рождается именно на аноде и распространяется только в определенную сторону от него. Сегодня мы знаем, что это происходит благодаря резкому торможению электронов, рождающих высокоэнергетические фотоны.
Помимо чисто физических, Пулюй проводил и эксперименты с применением рентгеновских лучей для выявления состояния костей. Он стал одним из первых, кто доказал их полезность для медицины.
Чем это все закончилось
И Рентген, и Пулюй понимали, что новые лучи могут быть только тем, что сейчас называют электромагнитными колебаниями. Правда, к тому моменту самой этой концепции в современном виде не существовало и не было понятно, что и как там колеблется. Ученые полагали, что Х-излучение – поперечные колебания, а катодные лучи — продольные.
Кстати, другие на тот момент еще оставались загадкой. Только через год после работы Пулюя английский физик Джозеф Томпсон доказал, что катодные лучи — поток частиц меньше размера атома. Впоследствии они получили название «электрон» и дали начало исследованию внутреннего строения атома.
Через десять после открытия рентгена Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект. Связав вместе фотоны и электроны. Тем самым он дал начало квантовой механике, в рамках которой и была впоследствии построена теория тормозного излучения.
Что касается Х-лучей, то они нашли свое применение не только в земной медицине. Как и всякое электромагнитное излучение. Их можно собирать с большой площади, а значит использовать для астрономических наблюдений.
Итак, рентгеновская астрономия успешно развивается уже несколько десятилетий. Благодаря ей ученые смогли увидеть многие объекты или явления, которые оставались незаметными в видимых лучах.
